淺析工程物探中的瞬變電磁法和高密度電法★

鄂 飛 張向東 劉 洋

(遼寧工程技術大學土木工程學院,遼寧 阜新 123000)

1 概述

工程物探是工程地球物理勘探的簡稱，其定義是基于地下巖土層的物理性質差異，通過儀器觀測物理場的變化，以確定地下地質體的空間分布范圍(大小，形狀和深度等)。在資源探測和異常體勘查中，工程物探發揮著非常重要的作用。本文重點闡述了高密度電法和瞬變電磁法兩種物探方法的特點、異同及工程應用。

2 高密度電阻率法

高密度電阻率法(Multi-electrode Resistivity Method)又稱高密度電法，是一種采用高密度布點進行二維地電斷面測量陣列勘探方法。在野外測量過程中，所有的電極(幾十到數百個)都需要放置在觀測斷面的每個測點上，再通過電極轉換裝置和微機工程機電測量儀實現快速、自動的數據采集，然后將采集到的數據進行處理，并根據電阻率的差異，給出地質剖面分布的各種圖形結果[1]。通過研究地球物理勘探方法中與空間不同電場有關的分布特征和變化規律，地下結構體系和不均勻電體可以有效地識別[2]。其工作原理如圖1所示，通過A，B電極向地下供電流I，在M，N極間測量電位差ΔV，從而可求得該點(M，N的中點)的視電阻率p=KAV/I，其中，K為裝置系數[3]。

2.1 高密度電法具體工作流程

高密度電法主要通過低頻交流電供電，并通過地層視電阻將測量結果呈現出來。因此，高密度電法的本質是直流電阻率法[2]，具體工作流程見圖2。

勘探結束后先將勘探過程中各測點所采集到的數據自動存儲在主機上，再利用通信軟件將原始數據傳送到計算機。計算機先根據所需的格式處理數據，再根據軟件對模塊的要求完成相應的模塊校正等預處理工作，然后通過二維反演的方式呈現[4]。

2.2 高密度電法特點

與現有電方法相比，高密度電法的優點是：

1)一次完成電極放置，減少了電極設置所造成的干擾和由電極設置引起的測量誤差。2)可以有效地根據各種電極的排列獲得關于地電結構狀態的豐富地質信息。3)數據的采集是自動實現的，避免了人工操作帶來的誤差。4)數據可以實時、離線進行處理，數據處理程序更加合理，大大的提高了勘察的工作效率[5]。

高密度電法在工程物探中的應用，要求必須根據應用場所的具體情況執行相應的具體應用計劃，一方面提升工程物探準確性，更重要的是確保工程建設的安全性，以促進工程地球物理勘探的發展[6]。

3 瞬變電磁法

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method)簡稱TEM。其主要原理是利用脈沖磁場感應產生的渦流場的運動特性來得到地質體的地電特性，在一個場的激勵下，使用間歇周期性步進脈沖磁場作為激勵(稱為主場)周圍介質中激起的感應渦流將產生隨時間變化的感應電磁場(稱為二次場)。由于二次場富含周圍介質的地電信息，因此在主場的間隔期間接收二次場，從而反轉地層信息[7]。作為目前工程中使用較多的一種探測手段，在近些年也得到了飛速的發展，在2012年譚劭聰等提出了三分量檢測解釋理論[8]，在2015年陳嘉輝等詳細解釋了瞬變電磁法三分量電磁探頭[9]，王斌等提出了陣列式多分量瞬變電磁套管損傷檢測方法[10]。王益等使用物理模擬提出對采空區積水使用地面回線源發射、水平巷道或水平鉆孔接收的瞬變電磁法，探測周圍地質異常體的方法[11]。

3.1 瞬變電磁法工作流程

在瞬變電磁檢測中，首先將線圈布置在現場，然后將采集到的數據存儲在計算機中。在數據處理的后期階段，第一步是對收集的數據進行去噪，并根據后期場或全周期場的公式計算視電阻率曲線;然后，執行時間—深度轉換過程以獲得每條線的視電阻率中斷。其流程為:開始→原始數據處理→數據格式處理→繪制初始多測道斷面圖→選擇處理時窗范圍、濾波參數、畸變數據剔除→繪測多測道斷面圖、視電阻率斷面圖→結束。最后，根據勘探區域的地球物理特征，分析了瞬態電磁響應的時間特征和空間分布特征，并對地質數據進行了綜合解釋[12]。

3.2 瞬變電磁探測特點

瞬變電磁法在應用中具有橫縱向信息豐富、體積效應小、探測范圍廣、作業效率高、受地質體影響性小、反應靈敏度高等諸多優點，長期以來在各類煤礦采空區的探測中得到了十分廣泛的使用[13]。然而，瞬變電磁法也容易受到電磁干擾，例如在井中探測時的支護與掘進設備，地面勘探時附近的高壓線路和信號塔等。同時，瞬變電磁法也存在著理論發展相對不完善，測得的異常范圍較大，異常位置定位普遍不準確等缺點[14]。

4 探測實例

現以某礦區工程物探為例介紹高密度電阻率法和瞬變電磁法的應用。工作目標是在場地的一定范圍內勘察滑坡面、裂縫帶、塌陷帶、地下采空區及巷道。

本次物探試驗共布置有6條勘探線，H1，H2勘探線沿東西方向水平布置，長度均為1 000 m。Z1～Z4勘探線沿南北方向豎直方向布置，長度分別為502 m，694 m，182 m，550 m。勘探線均采用礦用GPS確定測點，各勘探線端點坐標見表1。

表1 勘探線參數

其中，H1，H2勘探線采用瞬變電磁法和高密度電法共同勘探，其余勘探線僅采用瞬變電磁法勘探。

4.1 TEM成果資料解析

根據已知地質情況，圖3中G3，G4和G5區為高阻區，可以確定為煤礦巷道。圖4中D5和D6區為低阻區，可以確定為煤礦采空區。在Z3，Z4測線剖面圖中可見地面沉陷帶，分別為圖4中D3區。同時在Z4測線剖面圖中可見地面塌陷帶，為圖4中D4區。

4.2 高密度電法成果資料解析

勘探區內已知有滑坡，其西部邊界H1，H2測線剖面圖中均可見，分別為圖5中G1區和圖6中G2區。滑動面在該方向上視傾角約為27°。裂縫帶在H1，H2測線剖面圖中均可見，分別為圖5中D1區、圖6中D2區，在圖6中清晰可見5條地裂縫，裂縫在該方向上視傾角約為37°。東部裂縫帶西邊界為圖5中G1區和圖6中G2區。

5 兩種物探方法的異同

5.1 兩種方法的異性

在勘探所需的空間上：瞬變電磁法使用時需要的空間相對較少，可在小范圍內作業，而高密度電法更適用于在開闊地帶作業；在抗干擾能力方面上：高密度電法在受電磁場干擾方面影響稍小，可應用于市區，瞬變電磁法在干擾較小情況下精度要更高。

5.2 兩種手段的共性

兩種方法都能夠實現電阻率的快速測試，同時還具備高效率，高信噪比，強分辨率，大檢測深度和快速檢測速度等特點。兩者也都有局限性和適應性：在遠離市中心，避免地下電力，通信，燃氣管網等干擾情況下，探測效果較好[15]。

總之，兩種物探方法均是目前比較先進的物探技術之一，且都已經具有了較高的研究水平，在不同的工程地質條件下可以根據其地質特點采用合適的方法手段，也可以通過兩種方式相互驗證，相互補充，以更好地解決工程地質問題。